Ход лекции

Классическая сеть Ethernet для систем реального времени

Системы реального времени на осно­ве Ethernet создают посредством реали­зации специальных методов, используя, исходя из соображений стоимости и быстродействия, различные варианты среды связи. Один из методов создания систем реального времени применяет переклю­чаемые интервалы времени, распреде­ляющие передачи пакетов и сообщений в последовательной сети. Однако при таком методе недостаточно рациональ­но используется полоса частот. Другой метод основан на построении уп­рощённого варианта сети только с од­ним ведущим контроллером при боль­шом количестве ведомых устройств без использования коммутируемой среды. Распределённая система управления на основе такой сети использует метод ин­теракций одного ведущего со многими ведомыми устройствами.

26. Idustrial Ethernet?

Idustrial Ethernet - это мощная сеть верхнего уровня управления. Скорость – до 100Mbps, топология – звезда, длина участка – до 100 метров (увеличивается с помощью коммутаторов).

27. Виды сред передачи Ethernet?

В качестве среды передачи может выступать экранированный кабель с двумя витыми, промышленная витая пара, волоконно-оптический канал связи

28. PROFINET?

Стандарт PROFInet существенно упрощает организацию связи между Industrial Ethernet и сетями полевого уровня, объединение в одну систему продукции различных производителей, позволяет заменить трудоемкие операции программирования систем связи их графическим проектированием

29. Особенности промышленных сетей PROFINET?

Спецификация стандарта предусмат­ривает взаимодействие PROFINET с другими сетями (PROFIBUS, Interbus, DeviceNet и т.д.) с помощью шлюзов.

Возможно применение в сети PROFINET разных топологий (линейной, кольцевой, «звезда», «дерево»).

Особенности кабельной связи в про­мышленных сетях PROFINET связаны с жёсткими условиями эксплуатации оборудования. Средой передачи могут быть медные провода и оптоволокно.

Для разных приложений стандарт PROFINET определяет три уровня производительности: PROFINET NRT PROFINET RT, PROFINET IRT.

PROFINET NRT с временем цикла бо­лее 100 мс не поддерживает режим реаль­ного времени и предназначен в основ­ном для автоматизации отдельных тех­нологических процессов. PROFINET RT используется в случаях с более высо­кими требованиями к времени цикла (более 10 мс), например в системах авто­матизации предприятия. Самым высо­ким требованиям по производительно­сти отвечает PROFINET IRT (время цикла менее 1 мс), основной областью его применения является управление комплексными приводными системами.

30. Сетевые компоненты для построения сетей PROFINET?

Для построения сетей PROFINET существует широкая гамма активных и пассивных сетевых компонентов, а также коммуникационного программного обеспечения и инструментальных средств проектирования.

· Пассивные PROFINET компоненты включают в свой состав электрические (витые пары) и оптические кабели, а также соединительные устройства различного назначения. Для большинства электрических пассивных компонентов поддерживается технология FastConnect, позволяющая выполнять быстрый и безошибочный монтаж сети.

· Активные PROFINET позволяют конфигурировать линейные, звездообразные и кольцевые структуры сетей Industrial Ethernet/ PROFINET, использовать для передачи данных оптические и электрические каналы связи, поддерживают технологию коммутируемых сетей, позволяют использовать обмен данными в реальном масштабе времени, в том числе, и с тактовой синхронизацией.

Технологические компоненты для PROFINET представлены специализированными микросхемами, а также комплектами разработки, позволяющими специалистам различных фирм выполнять проектирование, макетирование и наладку интерфейсной части собственной аппаратуры управления, предназначенной для работы в сетях PROFINET

31. Решения на основе PROFINET?

В настоящее время наиболее ярко прослеживаются два направления использования сетей PROFINET: построение систем распределенного ввода-вывода (PROFINET IO) и построение модульных систем управления с распределенным интеллектом - PROFINET CBA (Component Based Automation).

В зависимости от функционального назначения в сети PROFINET могут использоваться различные механизмы обмена данными, различный состав аппаратуры, различные инструментальные средства проектирования.

32. Что такоеFOUNDATION FIELDBUS?

Основная область применения этой сети - самый нижний уровень распределенной системы автоматизации с обвязкой устройств, работающих во взрывоопасных средах и использующих сеть как для информационного обмена, так и для собственной запитки

33. Общие черты протоколов PROFIBUS PA и FOUNDATION™ fieldbus?

PROFIBUS PA и FOUNDATION™ fieldbus имеют ряд общих характеристик:

· обе системы удовлетворяют требованиям спецификаций физического уровня H1 IEC/ISA, которые определяют среду передачи данных;

· обе системы искробезопасны и способны по одним и тем же проводам передавать как данные, так и электропитание для подключенных к сети устройств, что позволяет использовать их во взрывоопасных зонах;

· обе системы поддерживаются между народными организациями, объединяющими как конечных пользователей, так и поставщиков;

· обе системы могут быть развернуты в качестве цифровой замены аналоговых каналов 4 20 мА с использовани ем тех же самых, уже существующих линий связи;

· обе системы поддерживают работу в многоточечном режиме, благодаря чему снижаются затраты на монтаж и обслуживание кабельного хозяйсва.

34. Отличительные особенности протоколов PROFIBUS PA и FOUNDATION™ fieldbus?

На прикладном уровне PROFIBUS PA вместо FMS использует расширения DP, что приводит к ограничению возможностей по удаленному конфгурированию, а также по чтению и записи.

Хотя обе системы способны управлять событиями в самой сети, применяемая в PROFIBUS PA коммуникационная модель «главный подчиненный»(ведущий-ведомый), а также отсутствие протокола системного администрирования делают PROFIBUS PA неудовлетворительным решением для управления распределенными процессами.

FOUNDATION™ fieldbus, напротив, создавалась не только для организации обмена цифровой информацией между управляющим устройством сети и устройствами нижнего уровня (полевого оборудования), но и для распределенного управления, включая поддержку функции автоматического конфигурирования (plug and play), что существенно расширяет границы совместимости оборудования.

FOUNDATION™ fieldbus при передаче данных одновременно поддерживает маркерный доступ и обмен по расписанию. Прикладной уровень в FOUNDATION™ fieldbus обеспечивает поддержку квитированного взаимодействия между клиентом и сервером, что может использоваться для изменения оператором значений уставок, удаленной загрузки и настройки параметров конфигурации. Кроме того, поддерживается рассылка оповещений об аварийных событиях и их подверждений. Это основано на том же прикладном уровне, который используется в PROFIBUS FMS.

В PROFIBUS PA один ведущий узел использует протокол DP для опроса подчиненных узлов, содержащих функциональные блоки ввода/выво да. Время опроса всех узлов сети зави сит от количества узлов и ряда других факторов, поэтому детерминированным может быть только время начала опроса.

35. Какая из технологий является открытой?

Лишь некоторые версии PROFIBUS являются открытыми. FOUNDATION fieldbus разработана в полностью открытой и нейтральной по отношению к различным производителям среде. Спецификации FOUNDATION fieldbus опубликованы и доступны всем желающим.

36. Какая из технологий наиболее широко используется?

Вне всякого сомнения, FOUNDATION™ fieldbus — более открытый протокол, разработанный и поддерживаемый организацией, в состав которой входит большинство крупнейших производителей аппаратно- программных средств для промышленрной автоматизации. И, напротив, контроль над PROFIBUS PA осуществляется одной компанией.

Хотя технология PROFIBUS PA, веоятно, сможет удовлетворить по требности большого числа пользова телей в ближайшем будущем, эта технология, несомненно, является устаревшей по сравнению с открытой, постоянно совершенствующейся технологией FOUNDATION™ fieldbus.

37. Протокол LON?

Протокол LON был разработан для построения интеллектуальных систем жизнеобеспечения зданий. LON-сеть может состоять из сегментов с различными физическими средами передачи: витая пара, радиочастотный канал, инфракрасный луч, линии напряжения, коаксиальный и оптический кабели. При разрешении коллизий используется предсказывающий алгоритм их предупреждения, то есть доступ к каналу упорядочивается на основе знания о предполагаемой нагрузке этого канала. Узел, желающий передавать, всегда получает доступ к каналу со случайной задержкой из некоторого диапазона. Максимальная размерность LON-сети - 32000 узлов, соединенных различными физическими средами в произвольной сетевой конфигурации.

38. Спецификация Interbus?

Interbus является хорошим решением для унифицированной автоматизации производства, компоненты которого территориально разнесены на большое расстояние. Максимальное расстояние, которое может охватывать эта ПС, — до 13. Максимальное количество узлов 512, расстояние между узлами до 400 метров. Узлы ретрансляторы образуют основу то пологии Interbus, оконечные же уст ройства подключаются к дополнительным кольцевым сегментам, в которых питающее напряжение передается вме сте с данными. Длина дополнительных сегментов может составлять до 200 метров, для их прокладки используется обычная неэкранированная витая пара. Доступ к среде передачи данных в Interbus организован по принципу суммирующего фрейма и обеспечивает га рантированное время передачи информации

39. Протокол WorldFIP?

Протокол WorldFIP удовлетворяет требованиям реального времени.

Протокол построен на гибридном (централизованный/децентрализованный) доступе к шине и для передачи данных использует режим широкого вещания (broadcast). Контроль обеспечивается со стороны центрального узла сети (central unit), называемого Арбитром. Основной поток данных организован как набор отдельных переменных, каждая из которых идентифицирована своим именем. Любая переменная, обработанная в одном узле-передатчике, может быть прочитана всеми узлами-приемниками одновременно. Использование режима широкого вещания избавляет от процесса присваивания каждому устройству уникального сетевого адреса.

Функции управления некоторым процессом могут распределяться между различными устройствами на шине. Это возможно потому, что все "приемники" одновременно принимают одинаковые переменные, а время обновления данных и их передача подчиняются строгому контролю. Основу FIP составляет "база данных реального времени

40. Беспроводные промышленные сети?

Применение беспроводных решений для промышленности оправдано, если:

· помехи не высоки и позволяют в 99% держать связь;

· потеря связи на 5…10 с не критична;

· проводная связь невозможна из-за высокой стоимости или мобильности компонент в системе управления.

Для решения подобных задач был разработан набор оборудования и ПО, реализовав схему «роуминга». Предложенное решение достаточно просто. Помимо обмена информацией погрузчики и точки доступа постоянно тестируют качество связи, при этом погрузчик каждый момент времени привязывается к той точке, качество связи с которой наилучшее. Опрос каналов связи проходит периодически, и в каждый момент времени погрузчик «общается» только с одной точкой доступа. Происходит постоянное динамическое переключение с одной точки на другую.

41. Протокол CompoBus/S?

Сеть представляет собой двух или четырех - проводную линию с ответвлениями и терминалами ввода/вывода. Время опроса 32 узлов происходит менее 0.5 сек. Compobus/S позволяет работать с аналоговыми синалами. Широкий набор терминалов позволяет построить распределенную систему управления локальными участками за минимальное время с максимальной эффективностью

42. Какие протоколы промышленных сетей на каком уровне АСУ ТП работают? См вопрос 2

Обозначаются операционные усилители так же, как и обычные усилители – треугольником, но у ОУ два входа, и один с инверсией (рис.1)

Обычно слева два входа, которые различаются наличием или отсутствием кружочка, обозначающего инверсию (иногда внутри треугольника вместо кружочка пишут + и – соответственно у неинвертирующего и инвертирующего входов). Справа обычно обозначается выход ОУ. Иногда на схемах больше ничего нет, но на самом деле есть ещё и питание (+Е_п и –Е_п), оно обычно обозначается сверху и снизу. Кроме того, у современных ОУ есть ещё и баланс нуля, обычно два провода снизу, и провод для подключения коррекции. Ещё может быть контакт для земли, хотя он редко бывает необходим. Обычно это всё, но может быть и что-то ещё. На реальных схемах вместо слов обычно пишут номера контактов. Как мы видим, на этой схеме всего 8 контактов, вместо 12х3=36 у 12 транзисторов, а у всех элементов порядка 50...100. В этом главное преимущество микроэлектроники, так как надёжность (интенсивность отказов) главным образом определяется именно количеством контактов.

Оперционные усилители представляют собой УПТ прямого усиления с:

- симметричным входом (дифференциальный каскад);

- большим коэффициентом усиления Кус (1000 – 100000);

- широкой полосой пропускання (f _В=10 – 100МГц);

- высоким входным соротивлением R_ВХ (десятки кОм и выше);

- низким выходным сопротивлением R_ВЫХ (сотни Ом и ниже);

- малым дрейфом нуля;

- высоким подавлением синфазных сигналов;

-

U_ВХ  

U_ВЫХ

несимметричным выходом.

Рисунок 1 – УГО ИМС ОУ Рисунок 2 – Структурная схема ОУ

1 - дифференциальный входной каскад

Требования: - большой К_УС;

- max ослабление синфазного сигнала;

- min смещение;

- min дрейф нуля;

- min входной ток;

- min температурные изменения вх.токов;

- min уровень шума.

2 – промежуточный каскад – обспечивает основное усиление и переход от симметричного входного каскада к несимметричному выходному.

3 – выходной каскад (эмиттерный повторитель).

Обозначаются операционные усилители так же, как и обычные усилители – треугольником, но у ОУ два входа, и один с инверсией (рис.1).

Обычно слева два входа, которые различаются наличием или отсутствием кружочка, обозначающего инверсию (иногда внутри треугольника вместо кружочка пишут + и – соответственно у неинвертирующего и инвертирующего входов). Справа обычно обозначается выход ОУ. Иногда на схемах больше ничего нет, но на самом деле есть ещё и питание (+Е_п и –Е_п), оно обычно обозначается сверху и снизу. Кроме того, у современных ОУ есть ещё и баланс нуля, обычно два провода снизу, и провод для подключения коррекции. Ещё может быть контакт для земли, хотя он редко бывает необходим.

Операционные усилители используются для построения схем генераторов, усилителей, умножителей, активных фильтров и т.д.

входного напряжения на 180°. Входное напряжение подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий – заземляется. Через Rос создается параллельная по напряжению ООС.

Инвертирующий ОУ (рис.3) – усиливает входной сигнал и сдвигает фазу

Рисунок 3 – Схема инвертирующего ОУ

Слева втекает входной ток I_вх, справа вытекает ток обратной связи I_ос, и ещё возможен ток, протекающий к инвертирующему входу ОУ. Но последний очень мал. Дело в том, что входное сопротивление ОУ обычно высокое, а может быть даже очень высокое, а входное напряжение очень мало. Поэтому этот ток измеряется нано- и даже пикоамперами, и мы можем смело им пренебречь (на рис. 5 этот ток перечёркнут).

Итак, есть только два тока: I_вх и I_ос. Они равны друг другу:

Подставим их значения:

Так как К_ос=U_вых/U_вх, получим

Итак, получили коэффициент усиления с инверсией. Если R_oc=R1, то К_ос= -1, то есть получился инвертор.

Неинвертирующий ОУ – в нем используется последовательная ООС по току, что резко увеличивает входное сопротивление по сравнению с инвертирующим.

Так как ОУ обладает большим К_ос, можно считать, что глубина обратной связи большая, и коэффициент усиления этой схемы равен

Но в данном случае равно падению напряжения на R1, которое возникает из-за протекания тока по цепи R_oc-R1:

Следовательно,

Это очень важная формула, она говорит, что К_ос не зависит от К₀ (когда глубина ООС большая), а зависит только от соотношения величин сопротивлений R_ос и R1. Такой усилитель называется неинвертирующим. Если R_oc=0, или выходной сигнал подаётся прямо на вход, то К_ос=1. Это – повторитель сигнала. Его суть состоит в согласовании входных и выходных сопротивлений. Это последовательная связь по напряжению, значит, входное сопротивление очень велико, а выходное – очень мало.

Контрольные вопросы:

1. Какими важными достоинствами обладает ОУ?

2. Из каких частей состоит схема ОУ?

3. Для чего используются ОУ?

4. Как работает схема инвертирующего ОУ?

5. Преимущество схемы неинвертирующего ОУ.

Литература:

Гершунский Б. С. Основы электроники и микроэлектроники.- Киев: Вища школа, 1989, стр.295 - 299

Дата добавления: 2014-01-15